光壁面超聲速燃燒室點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定研究.pdf

1、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為大氣層內(nèi)高超聲速飛行的最佳動(dòng)力裝置，超聲速燃燒室的綜合性能至關(guān)重要。光壁面超聲速燃燒室壁面沒有凹槽等高熱流部件，有利于冷卻流道設(shè)計(jì)，中心燃燒組織方式進(jìn)一步降低了平均熱流。燃燒穩(wěn)定過程中采用的支板能夠增強(qiáng)燃料的摻混，縮短燃燒距離，降低燃燒室的長度。已研究的光壁面超聲速燃燒室模型一般都采用氫氣作為燃料，而真正飛行器在飛行馬赫數(shù) Ma=4-7范圍內(nèi)一般都采用液態(tài)航空煤油，其反應(yīng)時(shí)間的延長會(huì)使得光壁面超聲速燃燒室內(nèi)的燃燒組織面

2、臨較大的困難。本文致力于解決液態(tài)煤油在光壁面超聲速燃燒室的點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定問題，主要研究內(nèi)容如下：
　　首先設(shè)計(jì)制作了一種小型高焓氣流發(fā)生器并將之安裝在光壁面超聲速燃燒室的壁面上，利用高焓氣流發(fā)生器形成的常駐火焰來點(diǎn)火和維持燃燒穩(wěn)定。點(diǎn)火過程中借助了空氣節(jié)流，通過改變節(jié)流空氣壓力和節(jié)流空氣的作用時(shí)間來控制點(diǎn)火過程中的節(jié)流強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)不同的節(jié)流強(qiáng)度會(huì)在燃燒室內(nèi)形成四種不同的點(diǎn)火模式：穩(wěn)定模式、不起動(dòng)模式、不穩(wěn)定模式和熄火模式。研究分

3、析了不同當(dāng)量比下點(diǎn)火模式的分布規(guī)律，給出了基于這種燃燒組織方式燃燒室的穩(wěn)定點(diǎn)火邊界。研究結(jié)果證明利用常駐火焰可以在光壁面超聲速燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)煤油的穩(wěn)定燃燒。
　　進(jìn)一步的研究中將小型高焓氣流發(fā)生器鑲嵌在了噴油支板內(nèi)形成火箭支板，直接在支板尾部形成常駐火焰。實(shí)驗(yàn)測試了兩種火箭羽流條件下的點(diǎn)火結(jié)果：一種條件下火箭支板噴射高溫燃?xì)?，另一種條件下火箭支板只噴射氧氣。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)火箭支板只噴射氧氣時(shí)更適合光壁面超聲速燃燒室的點(diǎn)火和燃燒穩(wěn)定。

4、基于此設(shè)計(jì)出了補(bǔ)氧支板結(jié)構(gòu)，通過在支板尾部直接注入氧氣，將支板尾部低速區(qū)拉長，加快燃料反應(yīng)速度，成功地在高速冷氣流中形成了穩(wěn)定的火焰。研究發(fā)現(xiàn)采用補(bǔ)氧支板時(shí)，支板尾部火焰的存在并不意味著燃燒室整體燃燒的建立，整體燃燒需要氧氣流量達(dá)到一定程度才能夠觸發(fā)。
　　進(jìn)一步研究了基于補(bǔ)氧支板的光壁面超聲速燃燒室燃燒組織特性，發(fā)現(xiàn)采用補(bǔ)氧支板，大大拓寬了燃燒室的燃燒穩(wěn)定邊界，在當(dāng)量比ER=0.19的條件下依然能夠保證燃燒的穩(wěn)定，并且點(diǎn)火沖擊小

5、。隨著當(dāng)量比的增加，燃燒過程會(huì)出現(xiàn)熱阻塞，燃燒室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)亞聲速區(qū)。研究中根據(jù)燃燒室內(nèi)亞聲速區(qū)所占比例的不同，將燃燒室內(nèi)的燃燒模態(tài)分為三種：超燃模態(tài)、亞燃模態(tài)和過渡模態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)不同燃燒模態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ミ^程截然不同，當(dāng)燃燒室出現(xiàn)熱阻塞時(shí)，整體燃燒建立過程有明顯的階段性，火焰?zhèn)鞑シ较蚺c燃燒室氣體流動(dòng)方向相反，而在超燃狀態(tài)下整體燃燒火焰快速建立，不存在火焰逆流傳播現(xiàn)象。
　　研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)光壁面超聲速燃燒室的整體燃燒建立以后，維持整體燃燒所

6、需要的氧氣量要明顯小于整體燃燒建立所需要的氧氣量，并且隨著當(dāng)量比的增加，維持燃燒所需要的氧氣量變得越來越少?；诖艘?guī)律，研究給出了燃燒過程中氧氣供應(yīng)方案的優(yōu)化思路：點(diǎn)火階段采取大氧氣流量供應(yīng)，而燃燒穩(wěn)定階段則采取小氧氣流量供應(yīng)，這樣有助于降低飛行器在實(shí)際飛行過程中氧氣的攜帶量。文章研究了支板上不同燃料噴射集中度對燃燒室壓力分布的影響，發(fā)現(xiàn)改變支板上的燃料噴射集中度主要影響支板尾部附近區(qū)域的壓升，對燃燒室尾部的影響不大。
　　最后，